嵌入式平台设计及其在智能公交系统中的应用Word格式文档下载.doc
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Abstract
WiththerapiddevelopmentofComputertechnology,thesoftwareandhardwaredesignofembeddedsystembasedonHigh-speedCPUhasalsomadeagreatprogress.Currently,theapplicationofembeddedsystemhasbeenwidelyusedinindustry,ministry,andcommunicationsetc.Thedesignofopenembeddedsystemplatformcanpushtheapplicationofembeddedsystem-Thispaperdescribesatypicalembeddedsystemplatformdesignandrealizationindetail.Theembeddedsystemplatformconsistsofhardwareandsoftware*Atlast,theapplicationoftheplatformisoffered.Thehardwaredevelopmentcontainsprojectplan,schematicscircuitconsideration,PCBlayout,devicesolderingandwholesystemdebugging.Meanwhile,thispaperalsodemonstratesthehardwaredebugexperiencesandnoticesbyauthor'
spractice.Thehardwaredevelopmentintroducesbuildingblocklayoutmethod,whichcanachievefunctionexpansioneasilyandconveniently.Inaddition,thetheoryandusageguideofdeviceswhichthesystemcoversareanalyzedindetail.
ThesoftwaredesignhasbeenresearchedinthetransplantationandhardwarelayerdriverdevelopmentbasedonembeddedOSLinux.AndthewholeprocessofLinuxportingtoARM9S3C2410Xispresenteddetailed,suchasportingBootLoader,makingkernelmapandportingfilesystem.AfteradjustingLivm.assemblycoderelatedtospecifichardware,thedesignedembeddedsystemplatformcanworksuccessfully.WithconsiderationofLinuxdevicedriverdevelopment,thepapertakestheNRF905,acharacterdevice,asexample,givesanintroductionhowtorealizeLinuxdevicedriver.Moreover,thecooperatedandseparateddevelopmentofhardwareandsoftwareinembeddedsystemisdiscussed.
Finally,thispaperintroducesanapplicationinstancefortheembeddedsystemplatform,whichisthedesignofintelligentbusdispatchsystem.Ontheonehand,thisinstanceshowsthegeneraldevelopmentprocessofembeddedsystem;
andontheotherhand5thisinstancehasdiscussedthemulti-threadtechniqueandfunctionrealizationattention.Itisprovedthatplatformapplicationissimplerandmorediversified,whichindicatesthepracticalandresearchfulvalue.
KeyWords;
EmbeddedSystem,ARMS3C2410X,OSPorting,LinuxDriver,IntelligentBusDispatchSystem
西北工业大学业
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1-M,
西北工业大学
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本人学位论文与资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。
土見年S月&
曰
西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论
第一章绪论
1.1课题背景
近10年来随着电子技术、计算机技术的迅速发展,嵌入式系统逐步广泛的应用于国防、工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费类电子等领域。
嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机,从国防武器系统、工业生产线的自动化、各种医疗仪器,到信息家电,如可视电话、游戏机、PDA、WAP手机以及多媒体产品,如STB(电视机顶盒)、DVD播放机和电子阅读机等。
嵌入式系统可谓无所不在、无所不能,越来越与人们的生产生活紧密相连。
然而,嵌入式系统的开发是一项非常复杂的工作,涉及到包括计算机技术、操作系统、电子线路、软件技术、硬件技术,以及专业领域知识。
一般的嵌入式产品的软硬件开发都是从零开始,设计人员从嵌入式芯片的结构原理起步,从指令系统、操作协议到产品系统都必须亲自逐一掌握和开发,使产品的开发周期过长,难度过大。
由此妨碍了嵌入式系统的应用。
尤其是对于像鱼雷这类武器系统的控制器设计,不但要求工程师熟知自己的专业鱼雷控制知识,还得熟悉嵌入式系统的开发。
这不但影响工程师开发嵌入式控制器的积极性,也加大了产品的开发费用和加长了产品的开发周期。
为解决这一问题I本论文以模块化的形式开发出一款可方便裁剪的嵌入式平台,并在该平台移植嵌入式操作系统。
模块化的概念可以使各种产品根据功能的需要,裁剪得到最佳的硬件平台,避免不必要的浪费。
移植具有丰富接口驱动的操作系统,可以使开发人员不必关心硬件的组成,直接调用封装好的API函数,写出系统的应用程序。
这样可以使该平台的应用简单而广泛,大大缩短用户产品的开发周期。
嵌入式Linux系统源代码是开放的,可以使开发成本降低;
嵌入式VxWorks系统的实时性很强,常用于工业和国防等控制可靠性有很高要求的领域。
随着国民经济的飞速发展,城市人口日益膨胀,机动车辆急剧增加,交通越来越拥挤,致使公交车辆的运营速度逐渐下降。
对于我国这样一个人口众多的大国来说t人们的日常出行是一个大问题。
然而,由于传统的公交调度系统都是凭调度人员的经验,调配车辆的运营,致使公交运营很不科学,经常出现等车时间长,或同一时间来几辆车的现象,给大家的出行造成严重的不便。
公共交通事业已越来越受到党和国家的关注,改善人们出行的效率是迫切的。
因此,智能公交
调度系统的研制己经成为一项刻不容缓的任务。
虽然现在已经有大量的智能车载系统问世,但是有的性能太低,有的价格昂贵,均不适用于特殊的公交调度的需要。
在信产部邮电十所的要求下,我们以本论文研制开放式多功能平台为基础,采用Linux操作系统,设计集智能报站、无线数据采集等功能于一身的价格低廉的智能公交调度系统。
本设计的另一目的是,在该平台上移植VxWorks操作系统,改善鱼雷控制系统目前还在使用X86系列的CHJ和DOS系统的现状。
水下航行器控制系统的层次化、系统化、高效化开发,是一个复杂的过程,需要投入大量的时间、精力和人力。
目前大部分鱼雷的控制和自导主机仍然采用基于X86和DSP架构的硬件控制方案,由于这种架构采用DOS操作系统或无操作系统,它的实时性及可靠性低,难以达到现代鱼雷制导系统的高实时性和高可靠性的目标。
因此,寻找新的鱼雷制导系统结构是鱼雷界工程师研究的热点,并要求新系统结构的硬件应具备充分的可扩充性、低功耗、髙速度及高可靠性;
软件具备实时性、充分的开放性、可维护性及可移植性;
系统数据具备充分的远程共享、解释简明、使用方便等条件。
本平台具备这些特性,可以适应下一代鱼雷和全数字化鱼雷的要求。
1.2嵌入式技术
嵌入式用
应用程序与搡
嵌入式操作系统
^ 作系统接口
操作系统与硬
硬件抽象层
"
件抽象层接口n»
件柚&
层
硬件平台
'
与硬件接口
图1-1嵌入式系统结构
所谓嵌入式系统[31(EmbeddedSystem),实际上就是“嵌入式计算机系统w的简称,它是相对于计算机系统而言的。
进入90年代以来,以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术取得了更加迅猛的发展,各种装备与设备上嵌入式计算与系统的广泛应用大大地推动了行业的渗透性应用.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
现在,嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元,嵌入式计算机不仅在民品上而且在军事装备上也得到了广泛地应用。
嵌入式系统由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成,硬件是支撑,软件是灵魂。
经过不断的发展,
原先嵌入式系统的3层结构逐步演化成为一种4层[2]结构。
如图1-1所示。
最底层是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台,不同的应用通常有不同的硬件环境。
硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。
当前,嵌入式系统处理器的发展趋势主要采用32位嵌入式CPU,其主流系列有ARM(包括Intel公司的strongARM和XScale)、MIPS和SH三大系列。
嵌入式系统CPU的另一类型为DSP。
当前,DSP处理器的典型结构是单片化嵌入式DSP,如TI公司的TMS320系列;
另一类是在通用CPU或单片系统中增加DSP协处理器,如Intel公司的MCS-296等。
还有一种类型是选用嵌入式单片系统SOC。
ARM公司的IP核也由ARM7、ARM9发展到今天的ARM11版本,囊括了Thumb-2、CoreSight、TrustZone等众多业界领先技术,同时由单一的处理器内核向多核发展,为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台。
32位嵌入式RISC处理器在性能和性价比等方面比传统结构处理器显示出了突出的优势,在军事领域内及早的采用先进技术,缩短开发周期,将是今后发展趋势。
ARM芯片具有以下优点[32]:
>
ARM处理器的功耗低。
ARM处理器的处理速度快,ARM7采用冯诺依曼结构,ARM9以上系列都采用哈佛结构和多级流水线机制。
ARM芯片性价比高、集成度高、扩展口多且体积小。
ARM芯片拥有多家供应商。
ARM处理器的软件支持工具多。
由于以上ARM芯片的优势,可以得出在多种应用领域中采用ARM微控制器是可行的,能有效地降低产品成本、提高开发速度。
硬件抽象层,有时也叫板级支持包或硬件驱动层,是一个介于硬件与软件之间的中间层次》硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交互,向操作系统硬件的直接操作。
硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式操作系统的通用化。
硬件抽象层的开发是嵌入式系统开发的主要工作之一。
中间层为嵌入式操作系统。
嵌入式操作系统可以分为实时和非实时两大类,实时操作系统是32位RISC嵌入式CPU的软件基础,操作系统用来完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。
具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点,20世纪90年代后,嵌入式实时操作系统已在嵌入式系统中确立了主导地位,在技术上具有如下突出的特征:
可以运行多任务,允许一个实时应用作为一系列独立任务来运行,各任务有各自的线程和系统资源;
有控制多种外部元素的能力,包括独立元素、异步元素、同步元素,并能高速运行,响应快,开销低,操作的延时小且可以确定,采用各种算法和策略,始终保证系统行为的可预测性,使每个任务的实时性要求都能得到满足;
有高效实时的内核,基于优先级的高效的任务调度策略、多种任务同步
3
西北丁业大学硕士学位论文 第一章绪论
和通讯机制、中断处理时间短,具有管道、RAM、SCSI等I/O通道,有文件系统、网络组件、虚拟内存支持;
作为嵌入式操作系统,它具有可剪裁、低资源占用、低功耗等特点;
因新的处理器越来越多,嵌入式实时操作系统的设计更易于移植,以便在短时间内支持多种微处理器:
通讯设备、军事应用以及工业控制系统要求髙的可靠性,迫使厂家下功夫提高性能,对支持髙可用性和热切换性都下了一番功夫。
国外嵌入式系统已经从简单走向成熟。
目前使用比较广泛的嵌入式操作系统有Linux、VxWorks、WindowsCE等[3'
下面给出了几种嵌入式操作系统及其应用的比较:
Linux:
是一种提供源代码、开放式自由软件,具有嵌入式操作系统的很多特色,突出的优势是适用多种CPU和多种硬件平台,性能稳定,裁剪性好,开发和使用都很容易,并且有广泛的资源利用和技术支持。
它是发展未来嵌入式设备的绝佳资源,具有广泛的应用前景。
■VxWorks:
WindRiver公司的高性能可扩展的硬实时操作系统,具有嵌入实时应用中最新一代的开发和执行环境,支持多种处理器和开发平台,并有多种开发工具,是目前世界上应用最广泛的产品。
VxWorks主要由以下几个主要部分组成:
高性能的实时操作系统核心——WindKernel,I/O系统(包括SCSIDriver,NetworkDriver),文件系统(FileSystem),板级支持包BSP(BoardSupportPackage),网络设施(TCP/IP)等。
Nucleus:
其特点是约95%的代码用C语言编写,方便移植,同时,可提供web支持、网络、图形,文件系统等模块。
可全部提供源代码,用户只需通过DLL动态连接便可进行任务级调试。
Lynx:
具有Unix兼容,符合Posix标准。
是专为要求快速确定相应的、复杂的实时应用设计的,它能为在任何一个Unix平台上的应用提供相当髙程度源码级水平上的兼容。
WindowsCE:
是微软公司嵌入式实时应用系统,支持众多的硬件平台,其最主要特点是拥有与桌上型Windows家族一致的程序开发界面,因此,桌上型Windows家族上开发的程序就能在WinCE上运行。
但嵌入式操作系统追求高效、节省资源,WinCE在这方面是笨拙的,它占用内存过大,应用程序庞大。
1.3智能公交调度系统的现状及发展
众所周知,现在公交车的调度还是完全依赖人工进行。
基本上采用“定点发
车,两头卡点”的调度方式。
导致公交车辆的行驶速度下降、行车间隔不均匀、时常出现“串车”、“大间隔”现象,增大运营调度工作的难度。
另外,对公交整体运营规律的分析,也是通过手工整理大量的调度信息完成的。
在计算机技术飞速发展的今天,这样的传统手工操作,必然跟不上人们日益增长的需求。
所以,公交调度系统正在向着智能化的方向发展,现在已经有一些智能公交调度系统上市,主要实现实时跟踪车辆行驶位置,并把行驶位置传送给公交调度中心和交管中心;
记录发车、到站/离站、收车时间;
记录乘客上下车人数^节省人工验票时间;
自动报站,新闻、广告等的播放等功能。
但是价格比较昂贵,不适合一些经济欠发达的地区使用。
所以想改变手工作坊式的公交调度方式,还有很长的路要走=在尽量节约成本的前提下,提高调度系统的智能化水平及稳定性是关键任务。
同时,减小设备的体积及提供友好的人机交互方式,避免司机面对大量控制开关的困扰,也是需要解决的问题。
1.4论文的选题意义和研究内容
尽管嵌入式系统已经深入到鱼雷制导系统、工业过程控制和人们日常生活的方方面面,但是,将嵌入式系统作为一门学科进行研究,还是一个新兴的课题。
嵌入式系统对于软硬件的设计都提出了更高的要求:
硬件功能的模块化设计,使系统根据具体的需求方便裁剪。
软硬件的协同设计,合理分配系统资源,达到软硬件同步设计,缩短开发周期。
操作系统的移植,封装丰富的接口驱动函数,达到软硬件分离的目的,方便上层应用程序的开发。
因而嵌入式设计人员必须同时具备硬件和软件两方面的知识与技能。
在硬件方面,需要了解特定任务队微处理器、存储器、外围设备和接口的要求,能够根据任务需求选择性能指标合适的元件,并且能够设计电子电路(包括原理图和PCB版图\在软件方面,要求熟悉嵌入式操作系统。
要求能根据需要裁剪内核,编写特定的接口和设备驱动。
会使用嵌入式系统的中间件,如MiniGUI、SQUte等,方便实现上层应用程序的设计。
本篇论文主要研究的内容可分为以下几个方面:
针对特定的处理器进行了硬件平台的开发。
扩展出各种外围接口=论文还结合作者在该平台的硬件调试过程,给出了硬件电路设计调试中的一些经验,为从事硬件开发的人提供了宝贵的设计思想和调试经验,
详细研究了Linux移植到S3C2410X上的方法。
论文中以NRF905的驱动实
现为例,进行了详细分析,给出了嵌入式Linux字符设备驱动的实现方法。
本文从总体上阐述了嵌入式系统移植到硬件平台的全过程,最终实现软硬件设计的分离。
并研究了嵌入式系统的软硬件协同设计问题。
研究了基于Linux的多线程编程技术,分析了多线程编程的方法。
同时还对GPS的工作原理进行了分析。
对该嵌入式平台的应用——智能公交调度系统的实现进行了总体的阐述。
进一步指明应用嵌入式平台进行产品开发的过程,表明了嵌入式系统这门学科与实际应用的紧密联系。
本论文设计的开放式嵌入式平台,为嵌入式系统研究和开发提供了实验环境,可方便学习和二次开发。
同时本论文也提供了嵌入式软硬件设计的具体方法,通过公交调度系统实例,为嵌入式开发人员提供了嵌入式系统设计的整体思路。
低功耗的处理器、高性能的操作系统.使该平台的应用可以遍布各个领域。
1.5论文组织结构
论文共分六章:
第一章选题意义及论文组织结构,探讨了嵌入式系统技术发展状况和特点,阐述了现行公交调度系统存在的主要问题,最后给出了论文的主要研究内容及意义和论文的结构安排。
第二章嵌入式系统平台的构建。
首先综述了嵌入式操作系统的开发过程。
在比较分析各种操作系统和嵌入式处理器的基础上,提出设计基于软硬件协同设计的理论,最后给出硬件平台框图。
第三章研究嵌入式系统硬件平台的设计实现及调试。
首先提出积木式主、扩展板的设计结构,然后就各个功能模块设计细节进行了论述。
结合实际设计工作给出六层PCB板的设计经验以及电路板的调试方法及经验。
第四章深入研究嵌入式Linux操作系统。
阐明了BootLoader和vivi的概念,设计了Limix的底层驱动的程序并给出了设计方法。
在此基础上,论文主要对字符型外设NRF905的驱动实现方法作了分析,给出了基于Linux系统的设备驱动程序的开发方法,为上层应用程序的开发提供了保证。
第五章研究了智能公交调度系统样机的实现。
分析该系统基于Linux操作系统的多线程编程。
对各个功能模块的实现方法的关键技术进行了研究。
对本设计的嵌入式平台特性进行了总结。
第六章对论文内容进行归纳,总结了论文研究的创新点,并对基于嵌入式技术的系统平台设计发展趋势和相关技术作了展望。
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西北工业大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统平台的构建
第二章嵌入式系统平台的构建
本章针对嵌入式系统的开发过程,分析嵌入式技术的优势,研究了嵌入式平台的构建方法。
讨论了软硬件协同设计的问题。
最后,给出平台设计的总体框图。
2.1嵌入式系统的开发过程
由于嵌入式系统本身的特性所影响,嵌入式系统开发与通用系统的开发有很大的区别。
嵌入式系统的开发主要分为系统总体开发、嵌入式硬件开发和嵌入式软件开发三大部分。
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